FR2977717A1 - Cellule photovoltaique a homojonction comprenant un film mince de passivation en oxyde cristallin de silicium et procede de realisation - Google Patents

Cellule photovoltaique a homojonction comprenant un film mince de passivation en oxyde cristallin de silicium et procede de realisation Download PDF

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Abstract

Une cellule photovoltaïque à homojonction comporte au moins un film mince (5) en oxyde cristallin de silicium disposé, directement, sur une des faces avant (1a) ou arrière (1b) d'un substrat (1) en silicium cristallin. Le film mince (5) est destiné à permettre la passivation de ladite face (1a, 1b) du substrat (1). De plus, le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) est avantageusement disposé directement sur la face avant (1a) du substrat, celle-ci constituant l'interface entre le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) et une des deux régions (2, 3) de types de dopage opposés formant l'homojonction dans le substrat (1). Le film mince (11) est, plus particulièrement, obtenu par oxydation radicalaire d'une partie superficielle du substrat (1). De plus, la cellule photovoltaïque peut avantageusement comporter une couche anti-reflet (6, 7) au niveau de la face avant (1a) et/ou de la face arrière (1b) du substrat (1).

Description

1
Cellule photovoltaïque à homojonction comprenant un film mince de passivation en oxyde cristallin de silicium et procédé de réalisation.
Domaine technique de l'invention L'invention concerne une cellule photovoltaïque à homojonction comprenant un substrat en silicium cristallin muni de deux faces, respectivement avant et arrière, et de deux régions principales présentant des types de dopage opposés, ainsi qu'un procédé de réalisation d'au moins une telle cellule photovoltaïque.
État de la technique
Une cellule photovoltaïque à homojonction comporte une jonction formée dans un même matériau semi-conducteur et permettant de convertir directement les photons reçus en un signal électrique. L'homojonction est, en particulier, formée dans un substrat en silicium cristallin comprenant deux régions ayant des types de dopage opposés (n et p). Plus particulièrement, celle-ci peut être obtenue à partir d'un substrat en silicium présentant un type de dopage donné (par exemple dopage de type n) et dans lequel est formée une zone dopée selon un type de dopage opposé (par exemple dopage de type p). Cette zone dopée, couramment appelée émetteur, est généralement formée depuis la face avant du substrat, correspondant par principe à la face du substrat destinée à recevoir le rayonnement solaire. Cependant, dans certains cas, elle peut aussi être formée depuis la face arrière du substrat, c'est-à-dire généralement la face opposée à celle recevant le rayonnement solaire.
Le rendement de conversion des cellules photovoltaïques à homojonction est 30 en général limité par des pertes au niveau des faces avant et/ou arrière du substrat par recombinaison.
Il est connu de minimiser ces recombinaisons de surface en intégrant une couche de passivation en matériau diélectrique, destinée à réduire les états d'interface ou à créer un effet de champ favorable pour repousser les porteurs de charge vers la jonction, lieu où ils doivent être collectés. Différents diélectriques sont couramment utilisés dans le domaine des cellules photovoltaïques à homojonction.
À titre d'exemple, Jianhua Zhao et al. dans l'article « 24.7% efficient PERL ~o silicon solar celles and other high efficiency solar cell and module research at the university of New South Wales » (ISES Solar World Congress, Jerusalem, Israel, July, 1999.) mentionnent la présence d'une couche en oxyde de silicium d'une épaisseur de 20nm dans une cellule photovoltaïque à homojonction, obtenue par oxydation thermique dans un milieu de 1,1,1 15 trichloroéthane (TCA). Une telle couche en oxyde de silicium est amorphe. Le problème de l'oxyde thermique SiO2 est que sa réalisation reste chère. Ceci n'est donc pas compatible avec un procédé de réalisation de cellules photovoltaïques industriel bas coût. Par ailleurs, la passivation des surfaces n'est pas optimale. 20 Objet de l'invention
L'invention a pour but de proposer une cellule photovoltaïque à homojonction présentant une bonne passivation de surface, tout en étant peu coûteuse. 25 Selon l'invention, ce but est atteint par le fait qu'une cellule photovoltaïque à homojonction comprenant un substrat en silicium cristallin muni de deux faces, respectivement avant et arrière, et de deux régions principales présentant des types de dopage opposés, est caractérisée en ce qu'elle 30 comporte un film mince en oxyde cristallin de silicium disposé directement sur une des deux faces du substrat.5 3
Selon un développement de l'invention, le film mince en oxyde cristallin de silicium a une épaisseur supérieure ou égale à 2 nanomètres et inférieure ou égale à 20 nanomètres et de préférence une épaisseur supérieure ou égale à 5 nanomètres et inférieure ou égale à 10 nanomètres.
Selon un autre développement, le film mince en oxyde cristallin de silicium est disposé directement sur la face avant du substrat, ladite face avant constituant l'interface entre le film mince en oxyde cristallin de silicium et une des deux régions principales présentant des types de dopage opposés.
Selon l'invention, ce but est également atteint par le fait que le film mince en oxyde cristallin de silicium est réalisé par oxydation superficielle radicalaire d'une surface du substrat.
15 Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, 20 dans lesquels : la figure 1 représente, schématiquement et en coupe, un mode de réalisation particulier d'une cellule photovoltaïque à homojonction selon l'invention. les figures 2 et 3 représentent, schématiquement et en coupe, des 25 première et seconde variantes de réalisation de la cellule photovoltaïque selon la figure 1.
Description de modes particuliers de réalisation
30 Selon un exemple particulier de réalisation illustré sur la figure 1, une cellule photovoltaïque à homojonction comporte un substrat 1 en silicium cristallin. Celui-ci comporte en particulier : 10 4
- une première région principale 2 présentant un type de dopage donné et - une seconde région principale 3, surmontant la première région principale 2 et présentant un type de dopage opposé à celui de la première région principale 2.
Les première et seconde régions principales 2 et 3 du substrat 1, avec leurs types de dopage opposés, forment, alors, la jonction de la cellule photovoltaïque.
De plus, comme illustré sur la figure 1, la seconde région principale 3, également appelée émetteur de la cellule photovoltaïque à homojonction, peut être, avantageusement, formée dans la partie supérieure du substrat 1, en face avant la du substrat 1.
La face avant 1a du substrat 1 formée dans la seconde région principale 3 est, sur la figure 1, texturée (ou structurée) afin d'augmenter le confinement optique de la cellule. De plus, la texturation peut être réalisée, de manière classique dans le domaine des cellules photovoltaïques, sous la forme de pyramides. Alternativement, la face avant la du substrat 1 pourrait aussi être une surface polie chimiquement, par exemple selon des techniques de préparation de surface classiques dans le domaine photovoltaïque, telles que la gravure dans un bain chimique, par exemple, à base de KOH concentré.
De la même manière, la face arrière 1 b du substrat 1 peut aussi être une surface texturée, par exemple sous forme de pyramides, ou bien être une surface polie. Dans le cas d'un polissage chimique de la face arrière lb, celui-ci peut être réalisé par gravure dans un bain comprenant d'une solution comprenant HF, HNO3 et H2O2, dans des proportions 1 :3 :3.
Dans un mode avantageux de réalisation et tel qu'illustré sur la figure 1, le substrat 1 peut également comporter, en face arrière 1b du substrat 1, une troisième région 4 présentant un type de dopage permettant la formation
d'un champ à l'interface arrière, également connu sous l'acronyme anglo-saxon BSF (« Back Surface Field »). Ainsi, sur la figure 1, la troisième région 4 est en contact direct avec la première région principale 2. Elle présente, avantageusement, un dopage de type identique à celui de la première région principale 2.
À titre d'exemple, le substrat 1 peut être un substrat en silicium cristallin comprenant une première région principale 2 dopée de type n. Dans ce cas, la seconde région 3 ou émetteur du substrat 1 présente, alors, un dopage de type opposé, p ou p+. La seconde région 3 est, par exemple, obtenue par une opération de diffusion de bore dans le substrat 1, depuis la face avant 1a du substrat 1. Une telle opération permet d'obtenir, localement et en surface, un dopage de type p+. De même, une opération de diffusion de phosphore, depuis la face arrière 1b du substrat 1, peut être, avantageusement, réalisée pour former la troisième région 4 (ou BSF) du substrat 1, avec un dopage n+.
Par ailleurs, la cellule photovoltaïque comporte également au moins un film mince en oxyde cristallin de silicium 5, disposé directement sur une des faces avant ou arrière du substrat. Ce film mince en oxyde cristallin de silicium 5 est destiné à permettre la passivation de ladite face du substrat.
Sur la figure 1, le film mince en oxyde cristallin de silicium 5 est disposé directement sur la face avant 1a du substrat 1. II est, ainsi, en contact direct avec la seconde région principale 3 du substrat. Ainsi, dans l'exemple mentionné ci-dessus, c'est-à-dire dans le cas d'un émetteur (ou seconde région principale 3) dopée p+ par diffusion de bore dans du silicium cristallin dopé n, le film mince en oxyde cristallin de silicium 5 permet de passiver l'émetteur en silicium dopé par du bore.
Le film mince 5 est en oxyde cristallin de silicium, c'est-à-dire un oxyde sous forme cristalline. En particulier, il est supposé que la forme cristalline de 2977717 s
l'oxyde de silicium pourrait être, dans certains cas, la forme tridymite pour un substrat en silicium ayant un plan cristallographique (100).
Le film mince en oxyde cristallin de silicium 5 a, avantageusement, une 5 épaisseur supérieure ou égale à 2 nanomètres et inférieure ou égale à 20 nanomètres et, de préférence une épaisseur supérieure ou égale à 5 nanomètres et inférieure ou égale à 10 nanomètres. À titre d'exemple, le film mince en oxyde cristallin de silicium 5 peut avoir une épaisseur de 8 nm.
10 Un tel film mince 5 est, plus particulièrement, un film mince obtenu en oxydant le silicium d'une partie superficielle du substrat 1. Par partie superficielle du substrat 1, on entend une zone du substrat 1 s'étendant depuis une surface libre du substrat 1 et notamment depuis une des faces avant 1a ou arrière 1b du substrat 1, vers l'intérieur de celui-ci, sur une très 15 faible épaisseur (avantageusement inférieure à 20nm).
Avantageusement, l'oxydation permettant la formation du film mince 5 est une oxydation superficielle radicalaire, c'est-à-dire une oxydation réalisée au moyen de radicaux (ou radicaux libres). De tels radicaux sont en particulier 20 des radicaux oxygénés, par exemple obtenus à partir d'oxygène, d'ozone et/ou d'eau. Les radicaux ainsi obtenus oxydent, alors, le silicium sur une partie superficielle du substrat 1.
De plus, l'oxyde de silicium ainsi obtenu pendant l'oxydation radicalaire est 25 au moins en partie sous une forme cristalline. Plus particulièrement, l'oxydation superficielle radicalaire du substrat en silicium est, avantageusement, contrôlée pour permettre la formation d'un film mince en oxyde de silicium sous une forme cristalline en contact direct avec une surface du substrat en silicium. L'oxydation superficielle radicalaire du 30 substrat peut cependant, dans certains cas, entraîner la formation supplémentaire, sur l'oxyde cristallin de silicium, d'oxyde de silicium sous une forme amorphe. Cependant l'oxyde cristallin de silicium formant le film
mince 5 reste interposé entre le substrat 1 et l'oxyde amorphe de silicium. De plus, l'oxyde de silicium amorphe, avantageusement formé pendant l'oxydation superficielle radicalaire peut, éventuellement, être retiré par décapage, lors d'une étape spécifique suivant l'oxydation superficielle radicalaire et, plus particulièrement, avant la formation d'une éventuelle couche anti-reflet.
L'oxydation est, avantageusement, assistée à l'aide d'un plasma ou bien par application de rayonnements ultraviolets sur la surface du substrat à oxyder.
Le traitement par plasma ou par rayonnements ultraviolets facilite, en particulier, la formation des radicaux libres utilisés pour oxyder le silicium du substrat 1. Ils sont, plus particulièrement, des radicaux de type 0', 02' et/ou OH', selon le type de traitement et sont en particulier obtenus à partir d'oxygène et/ou d'ozone et/ou d'eau.
Selon un mode particulier de réalisation, l'oxydation de la partie superficielle du substrat 1 peut être réalisée à partir d'oxygène et de rayonnements ultraviolets ayant une gamme de longueurs d'onde comprise entre 160nm et 400nm. Les longueurs d'onde des rayonnements ultraviolets utilisés sont, par exemple, d'environ 185nm et d'environ 254nm. Dans ce mode particulier de réalisation, l'oxygène, sous l'action des rayonnements ultraviolets, se dissocie en radicaux libres O' et en ozone. Les radicaux libres peuvent oxyder la surface du silicium.
De plus, la température pendant l'opération d'oxydation peut être comprise entre la température ambiante et environ 900°C, tandis que la pression peut être comprise entre environ 10-4 et environ 105 Pa. En particulier, l'étape de réalisation du film mince d'oxyde cristallin de silicium est, avantageusement, réalisée à une température inférieure à 800°C. En effet, en dessous de cette température, les profils de diffusion de l'émetteur et du BSF ne sont pas redistribués. De plus, l'émetteur notamment lorsqu'il s'agit d'un émetteur dopé au bore ne subit pas de déplétion forte en surface, ce qui représente un 2977717 s
avantage au niveau de la passivation de surface. Ainsi, de manière encore plus avantageuse, la température et la pression de l'opération de formation du film mince en oxyde cristallin de silicium 5 sont respectivement la température ambiante et la pression ambiante. 5 Par ailleurs, la cellule photovoltaïque peut comporter une ou plusieurs couches anti-reflet. II peut s'agir d'une couche anti-reflet en SiN, déposée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), au niveau de la face avant 1a et/ou de la face arrière 1b du substrat 1 pour une action antireflet et de passivation accentuée des surfaces. Lorsque la couche anti-reflet est déposée au niveau de la face avant 1a du substrat, celle-ci a été préalablement munie du film mince en oxyde cristallin de silicium 5. Une telle couche anti-reflet a typiquement une épaisseur comprise entre 60nm et 80nm. La figure 2 illustre un mode de réalisation d'une cellule photovoltaïque 15 comprenant, en plus des éléments représentés sur la figure 1, une couche anti-reflet 6 disposée directement sur le film mince en oxyde cristallin de silicium 5 et une couche anti-reflet 7 disposée directement sur la face arrière lb du substrat 1.
20 Enfin, de manière classique, des contacts sont, plus particulièrement, réalisés sous forme de grille sur les deux faces avant et arrière du substrat pour collecter le courant photogénéré. Ces contacts peuvent être réalisés par sérigraphie, par électrodéposition, par évaporation, ...Si on utilise une sérigraphie d'une pâte adaptée, un recuit infrarouge permet de perforer les 25 couches anti-reflet pour atteindre la jonction. La figure 3 illustre, ainsi, un mode de réalisation d'une cellule photovoltaïque, comprenant en plus des éléments représentés sur la figure 2, de tels contacts 8.
Les exemples ci-dessus illustrent la réalisation d'un film mince en oxyde 30 cristallin de silicium sur la face avant d'un substrat en silicium cristallin d'une cellule photovoltaïque à homojonction. Cependant, le film mince en oxyde cristallin de silicium ou bien un film mince en oxyde cristallin de silicium
additionnel peut aussi être disposé directement sur la face arrière du substrat. À titre d'exemple, le substrat peut être un substrat en silicium cristallin de type p, dans lequel est formée une région dopée en face avant 1 formant un émetteur dopé n+ (par exemple par diffusion de phosphore depuis la face avant). Le substrat peut aussi comporter en face arrière une région dopée p+ (BSF) ou bien une région non dopée. Dans ce cas, le film mince d'oxyde cristallin de silicium est formé au niveau de la face arrière pour favoriser la passivation de surface. Des couches anti-reflet en SiN peuvent ensuite être déposées en face avant et/ou en face arrière du io substrat et les contacts sont réalisés sous forme de grille également.
De la même manière, bien que la figure 3 illustre un cas où la cellule photovoltaïque comporte une couche anti-reflet pour chacune des faces avant la et arrière lb du substrat 1, les faces avant et arrière d'une cellule 15 photovoltaïque selon l'invention peuvent être recouvertes ou non d'une couche anti-reflet.
Enfin, la réalisation d'un film mince en oxyde cristallin de silicium peut être appliquée à tout type d'architecture de cellule photovoltaïque à 20 homojonction. Elle peut, notamment s'appliquer, en plus de la structure standard décrite ci-dessus, aux cellules photovoltaïques bifaciales (avec éclairement des deux côtés du substrat), aux cellules à contacts interdigités (pour lesquelles l'émetteur et le BSF sont réalisés sur la même face de façon interdigitée), aux cellules à jonction face arrière, aux cellules à contacts face 25 arrières (M\ T pour « Metallisation warp through » ou BUT pour « emitter warp through »).

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS1. Cellule photovoltaïque à homojonction comprenant un substrat (1) en silicium cristallin muni de deux faces, respectivement avant (1a) et arrière (1b), et de deux régions principales (2, 3) présentant des types de dopage opposés, caractérisée en ce qu'elle comporte un film mince en oxyde cristallin de silicium (5) disposé directement sur une des deux faces (1a, 1b) du substrat (1).
  2. 2. Cellule selon l'une la revendication 1, caractérisée en ce que le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) a une épaisseur supérieure ou égale à 2 nanomètres et inférieure ou égale à 20 nanomètres.
  3. 3. Cellule selon l'une la revendication 2, caractérisée en ce que le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) a une épaisseur supérieure ou égale à 5 nanomètres et inférieure ou égale à 10 nanomètres.
  4. 4. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) est disposé directement sur la face avant (1a) du substrat (1), ladite face avant (1a) constituant l'interface entre le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) et une des deux régions principales (3) présentant des types de dopage opposés.
  5. 5. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) est constitué par une partie superficielle du substrat (1) oxydée par des radicaux.
  6. 6. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'une couche en oxyde amorphe de silicium est disposée directement sur le film mince en oxyde cristallin de silicium (5). 10Il
  7. 7. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le substrat cristallin (1) comporte, en face arrière (1b), une région additionnelle (4) présentant un type de dopage permettant la formation d'un champ à l'interface arrière.
  8. 8. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'au moins une des deux faces (1a, 1b) du substrat (1) en silicium cristallin est texturée.
  9. 9. Cellule selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une couche anti-reflet (6, 7).
  10. 10. Procédé de réalisation d'au moins une cellule photovoltaïque selon l'une 15 quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le film mince en oxyde cristallin de silicium (5) est réalisé par une oxydation superficielle radicalaire d'une surface du substrat (1).
  11. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'oxydation 20 superficielle radicalaire est réalisée au moyen de radicaux oxygénés obtenus à partir d'oxygène et/ou d'ozone et/ou d'eau.
  12. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'oxydation superficielle d'une surface du substrat (1) est assistée par application de 25 rayonnements ultraviolets sur ladite surface.
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que les radicaux oxygénés étant obtenus au moins à partir d'oxygène, les rayonnements ultraviolets ont une gamme de longueurs d'onde comprise entre 160 nm et 30 400 nm.10
  14. 14. Procédé selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce que l'oxydation superficielle d'une surface du substrat (1) est assistée par plasma.
  15. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que l'oxydation superficielle radicalaire d'une surface du substrat (1) est suivie d'une étape de décapage pour retirer une partie d'oxyde de silicium formée pendant l'oxydation superficielle radicalaire, sous forme amorphe, sur la surface du film mince (5).
  16. 16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que l'oxydation superficielle radicalaire d'une surface du substrat (1) est suivie d'une étape de formation d'une couche anti-reflet (6, 7).
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